Japan Advanced Institute of Science and Technology
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Title 無線ヘテロジニアスネットワークにおける非対称マル チキャスト通信の提案と実証実験
Author(s) LIM, Azman Osman
Citation 科学研究費補助金研究成果報告書: 1-6 Issue Date 2010-06-10
Type Research Paper Text version publisher
URL http://hdl.handle.net/10119/9037 Rights Description 研究種目：若手研究（Ｂ）, 研究期間：2007∼2009, 課題番号：19700077, 研究者番号：90435793, 研究分 野：情報学, 科研費の分科・細目：計算機システム・ ネットワーク
様式 C-19
科学研究費補助金研究成果報告書
平成２２年６月１０日現在 研究成果の概要（和文）：シームレスに統合された無線ヘテロジニアスネットワークの実現は、 より多様な通信サービスの効率的な提供を可能にする。本研究では、無線 LAN メッシュネット ワークとセンサーネットワークから構成される無線ヘテロジニアスネットワークにおけるマル チキャスト通信に関する技術獲得を目標として、非対称リンクを許容する新しい方式を提案し、 シミュレーションおよびテストベッドによる実証実験でその有効性を確認した。研究成果の概要（英文）：With the growing interest in various wireless networks, the need for seamless integration and efficient transmission of heterogeneous wireless networks is becoming increasingly important. In heterogeneous wireless networks, communication between pair of a sensor and a mesh node may be asymmetric, meaning that the sensor may receive data from the mesh node but not vice versa. In this research work, we focus on the asymmetric multicast communication and propose a multicast over tree-based routing (mTBR) protocol to improve the performance of conventional protocol in terms of routing overhead, packet delivery ratio, and delay. We evaluate the proposed mTBR through simulation and verify its performance using the experiment of heterogeneous wireless networks, which consists of 802.11b/g (Wireless LAN networks) and 802.15.4 (sensor networks). 交付決定額 （金額単位：円） 直接経費 間接経費 合 計 2007 年度 1,300,000 0 1,300,000 2008 年度 1,100,000 330,000 1,430,000 2009 年度 600,000 180,000 780,000 総 計 3,000,000 510,000 3,510,000 研究分野：情報学 科研費の分科・細目：計算機システム・ネットワーク キーワード：マルチキャスト、経路制御プロトコル、木構造、無線メッシュネットワーク 研究種目：若手研究（Ｂ） 研究期間：2007～2009 課題番号：19700077 研究課題名（和文） 無線ヘテロジニアスネットワークにおける非対称マルチキャスト通信の 提案と実証実験
研究課題名（英文） Proposal and Experimental Verification of the Asymmetric Multicast Communication in Heterogeneous Wireless Networks
研究代表者
LIM AZMAN・OSMAN（リム アズマン・オスマン） 北陸先端科学技術大学院大学・情報科学研究科・准教授 研究者番号：90435793
１．研究開始当初の背景 無線メッシュネットワークは、無線 IP 基 地局をメッシュ状に無線接続し、有線との接 続を最小限にとどめつつ無線ネットワーク の被覆領域の拡大を図る方法である。無線ア ドホックネットワークの研究を拡張する形 で研究が進められており、ネットワーク層で は IETF 標準において、データリンク層及び 物理層においても IEEE802 標準において標準 化検討が行われている段階であった。 一方、センサーネットワークは、主に自律 的にデータ測定を行うセンサー群で構成さ れるネットワークであり、電源、通信速度、 通信距離、計算能力などに関し、無線 IP 端 末と比較して厳しい制約があることを想定 して研究が進められている。IEEE802.15.4 （ZigBee）といった標準化検討も活発になり 始めた段階である。また無線 LAN メッシュネ ットワークと同様に、無線アドホックネット ワークの研究で電源や通信速度を制約やメ トリックとした方式が主に検討されていた。 通信方式・性能が異なる複数のネットワー クを選択的に使用するものにハイブリッド ネットワークがあるが、ヘテロジニアスネッ トワークとは特に異種のネットワークが有 機的に協調動作するものをいう。ハイブリッ ドネットワークでは、異種・複数のネットワ ークを上位のレイヤから選択して利用する 構成をとるのに対し、ヘテロジニアスネット ワークでは、異種・複数のネットワークイン タフェースを同時に備えたノードがそれぞ れ他方のネットワークに対する接続ポイン トとなり、一方のネットワークから見て他方 のネットワークノードを互いに収容する構 成をとることで有機的な協調動作を実現し ようとする。 無線 LAN メッシュネットワークとセンサー ネットワークから有機的に構成されるヘテ ロジニアスネットワークを対象にし、また、 その上で動作するマルチキャストプロトコ ルを実現するために、ノード位置の一定の安 定性・応用サービスに求められる頑健性を前 提に、特にトラフィックの特性・通信/計算/ 電力資源の不均等性に着目して、転送経路の 形状を検討した結果、単方向の共有経路を非 対称パスとして利用することが、前提とする 無線ヘテロジニアスネットワークの特性と 呼応する方式として候補に挙げるにいたっ ている。 ２．研究の目的 無線 LAN メッシュネットワークとセンサー ネットワークから構成される無線ヘテロジ ニアスネットワークにおいて、異種ネットワ ークのノードが混在するノード間のリンク をたどってパケットをマルチホップさせる ことにより、１対多のマルチキャスト通信を 行う際に、非対称な経路を許容して最適な経 路を選択し伝送する方式の提案とテストベ ッドの構築による性能評価を行い、実効性を 確認すること。研究活動項目は以下の通り。 （1） IEEE802.11b/g、IEEE802.15.4 の通信 ネットワークを混合した無線ヘテロ ジニアスネットワークにおける非対 称マルチキャスト（及びユニキャス ト/ブロードキャスト）通信プロトコ ルの解析的分析による方式考案 （2） 同上通信プロトコルのコンピュータ シミュレーション評価と方式改良 （3） 同上通信プロトコルを実装したテス トベッド構築と性能評価実験 ３．研究の方法 平成 19 年度は、「IEEE802.11b/g、 IEEE802.15.4 の通信ネットワークを混合し た無線ヘテロジニアスネットワークにおけ る非対称マルチキャスト（及びユニキャスト /ブロードキャスト）通信プロトコルの解析 的分析による方式考案」に重点を置く。研究 手順は以下のようになる。 （1） 解析・シミュレーション用に無線ヘ テロジニアスネットワークの構成を 設計する。40～60 ㎡ 1 セグメントオ フィス・60～80 ㎡ 3LDK アパートメ ント・120～200 ㎡ ビニールハウスな どを想定して、無線メッシュノード、 センサーノードを配置。ノードの通 信/計算/電力資源の設定を実施。 （2） Multicast On-demand Distance
Vector や Distance Vector Multicast Routing Protocol、Core-Assisted Mesh Protocol、Tree-based Routing Protocol 等の既存プロトコルを模し たヘテロジニアスネットワーク向け の通信プロトコルモデルを構築。単 方向の共有経路を非対称パスとして 利用する通信プロトコルモデルを構 築。 （3） サーバとノート PC、データ解析ソフ トウェアを購入し、種々に想定し設 計した無線ヘテロジニアスネットワ ークの構成を入力、ネットワークノ ードの性能の入力を行ってデータ解 析により、入力した無線ヘテロジニ アスネットワークの特性を得る。 （4） 既存プロトコルを模したプロトコル モデル、および提案しようとする非 対称プロトコルモデルに則り、無線 ヘテロジニアスネットワークの構成 ごとに、起こりうるトラフィックパ ターンを数個設定して、スループッ ト、遅延、待ち行列長、パケット配
信率の分析を行う。 送信元ツリー型、共有ツリー型、メッシュ 型の各無線マルチホップマルチキャストプ ロトコルの強み・弱みを把握し、また提案し ようとする単方向の共有経路を非対称パス として利用する通信プロトコルが現時点で 従来型のプロトコルとどのような相違点が あるかを、スループット、遅延、待ち行列長、 パケット配信率など性能の面で比較しつつ、 設計したヘテロジニアスネットワークの構 成および入力するトラフィックパターンに 対して、どのような相関があるかを仔細に分 析する。 提案しようとする単方向の共有経路を非 対称パスとして利用する通信プロトコルが、 あらゆる状況において性能面で著しく劣っ ている場合、「単方向の教諭経路を非対称パ スとして利用する」こと自体の負の要素を洗 い出した上で、代替となるプロトコル構成方 針を改めてこの時点で打ち立てる必要が生 じる。その場合にも、従来型のマルチキャス トプロトコルの解析により得られた知見に 基づき、従来型マルチキャストプロトコルに 共通して見出された弱みについて着目し、そ の弱みを克服するために可能な工夫につい て見当をつけることで、代替となるプロトコ ルの構成方針を再考案する。 提案しようとする通信プロトコルが、いく つかの状況において性能面で従来のマルチ キャストプロトコルを上回る性能を見せた 場合には、うまくいかない場合と同様に性能 向上の要因を明確にし、その要因によってど こまでさらなる性能向上が可能かを見極め てプロトコルの動作設定にフィードバック させて、より提案しようとするプロトコルを 効果の高いものに仕上げる。 平成 20 年度は、「IEEE802.11b/g、 IEEE802.15.4 の通信ネットワークを混合し た無線ヘテロジニアスネットワークにおけ る非対称マルチキャスト（及びユニキャスト /ブロードキャスト）通信プロトコルのコン ピュータシミュレーション評価と方式改良」 を実施しつつ、テストベッドの構築を進める。 前年度において得られた一定の性能向上 が解析的に認められる提案プロトコルに、従 来型プロトコルを含めてネットワーク層に おけるシミュレーションを NICT の研究資産 である OPNET ないしは QualNet シミュレータ を利用して実施する。シミュレーションに際 しては、解析的評価を行う際に設計した無線 ヘテロジニアスネットワークの構成、無線メ ッシュノード、センサーノードの通信/計算/ 電力資源の設定、入力するトラフィックパタ ーンを利用する。テストベッドの構築は、無 線 AP、PC に導入するメッシュライブラリ、 10 個のセンサーノードを含むセンサーネッ トワークキットを購入して進める。 メッシ ュライブラリは、各年度にわたり購入する PC に導入する。テストベッドの構築に際しては、 ネットワーク層のプログラミングも自ら実 装し、評価するためのトラフィックの設定な ども随時実施する。 平成 21 年度は、「IEEE802.11b/g、 IEEE802.15.4 の通信ネットワークを混合し た無線ヘテロジニアスネットワークにおけ る非対称マルチキャスト（及びユニキャスト /ブロードキャスト）通信プロトコルを実装 したテストベッド構築と性能評価実験」を実 施する。 ４．研究成果 平成 19 年度は主に、IEEE802.11b/g および IEEE802.15.4 の混在した無線ヘテロジニア スネットワークにおける非対称マルチキャ スト通信の分析を行った。従来の Multicast On-demand Distance Vector や Distance Vector Multicast Routing Protocol 、 Core-Assisted Mesh Protocol など多くのマ ルチキャスト通信プロトコルは、主に同種の 通信ノードからなる無線ネットワーク向け に提案されており、無線ヘテロジニアスネッ トワークに適用するのには以下に挙げる無 線ヘテロジニアスネットワークの３つ特徴 が障害となっている。 ・トポロジーの変化が予測不可能なアドホッ ク環境 ・非常に多様な終端装置 ・通信リンクの非対称性 そこで、無線ヘテロジニアス環境向けの非対 称マルチキャストプロトコルを考案し、マル チプル・ユニキャストプロトコルと比較した 数学的な基本評価を行った。提案プロトコル は 、 multicast over tree-based routing （mTBR）に付随して動作を説明に入る。マル チキャストでデータが実際に流れるマルチ キャスト木構造（mTree）を構成する中継ノ ードは mTree ノードとして、mTree 表を保持 管理する。mTree ごとに葉に向かう側のノー ドを子ノードとして、子ノードのアドレスを mTree 表の当該マルチキャストアドレス（MA） のエントリーの子ノードアドレスフィール ド（Child field）に入力して管理する。受 信したマルチキャストパケットの MA のエン トリーは mTree 表にあり、さらに当該エント リーに子ノードがいるときにはマルチキャ ストパケットを転送する。 次に挙げるのは、ビデオ映像を流すことを 想定した具体的なパラメータを想定し、さら にノードをランダムに配置するトポロジー のシミュレーションを行い、マルチプル・ユ ニキャストと提案する mTBR 方式との比較を 行った評価結果である。結果のグラフを図 1 に示す。
図 1 ネットワーク負荷の比較 横軸はクライアント数を示し、また縦軸は ネットワーク内で発生したトラフィックの 総量を表している。このグラフから分かるよ うに、クライアント数が増えるといずれもネ ットワークの負荷は増えているが、提案手法 ではネットワークの負荷の伸びはマルチプ ル・ユニキャストを比較して非常に緩やかに なっている。提案手法は、クライアントが 20 ノードの時で、75%の径路制御オーバヘッド を削減することを明らかにした。 平成 20 年度は主に、前年度において考案 した無線ヘテロジニアス環境向けの非対称 マルチキャストプロトコルについて、さらに 分析・改良を進めた。MAC 層において、従来 用いられていたロードキャストパケットを、 今回、マルチプル・ユニキャストの繰り返し に置き換え、さらにネットワーク層の mTBR も手順の見直しによりさらにオーバヘッド の低減を図った。図 2 と図 3 のグラフは、シ ミュレーションによる評価を実施した結果 を示したものである。 シミュレーションでは、Root の対角に位置 するノードをサーバとした。クライアント数 が少ない場合から多い場合にわたって、いず れの場合も提案手法は、配信率では MAODV を 上回り、遅延は 3 分の１以下に抑えられるな ど性能が優れている。検討初期には、行った シミュレーションにより、mTBR で MAC 層のブ ロードキャストパケットを用いることが、パ ケット配信率の低下に繋がっている可能性 が疑われたが、MAC 層に改良を施し、パケッ ト配信率の向上とオーバヘッド低減を計る ことで、最終的なシミュレーションの結果で は、パケットの高い配信率とトラフィック収 容量が数倍に増えることが確認された。 図 2 配信率の比較 図 3 遅延の比較 平成 21 年度は主に、無線メッシュネット ワークとセンサーネットワークから構成さ れる無線ヘテロジニアスネットワークにお いて、異種ネットワークのノードが混在する ノード間のリンクをたどってパケットをマ ルチホップさせることにより、１対多のマル チキャスト通信を行うためのプロトコルを 実装したテストベッドを構築し、動作実験に よる性能評価を行った。 図 4 実験評価シナリオ 前年度までに考案した無線ヘテロジニア ス環境向けの非対称マルチキャストプロト コルを実装環境で評価するために、前年度に
開発を進めたテストベッドの構成を改良し た。次に述べる実験では図 4 で示されるシナ リオを実行した。まず、無線メッシュルータ の機能を 4 台のノード PC 上に再現してそれ ぞれに ZigBee シンクノードを各 1 台計 4 基 インタフェースとして取り付け、また別に 8 基の ZigBee センサーノードを用意した。そ して無線メッシュネットワークとセンサー ネットワークの融合したネットワークの性 能評価実験を行うにあたり、従来方式として、 ゲートウェイノードだけがマルチキャスト グループを把握しているモデルの動作実装 と、マルチキャストグループ情報がネットワ ー ク 内 の ノ ー ド 間 で 共 有 さ れ る 提 案 す る mTBR 方式の動作実装を行った。遅延の測定に 代えて、無線メッシュゲートウェイノードか ら ZigBee ノードまでの下りをマルチキャス ト、そのマルチキャストメッセージへの返信 を上りのユニキャストで行わせてラウンド トリップタイム（RTT）を測定した。 図 5 ラウンドトリップタイムの比較 実験評価を実施した結果のグラフを図 5 に 示す。このグラフから分かるように、ラウン ドトリップについては、提案方式は従来方式 と比較して約 30%平均所要時間を小さくする ことが確認された。これは動作実験のトポロ ジーにおけるホップ数の削減率に近い値で あり、より大きなトポロジーが想定されるネ ットワークにおいては提案方式で削減され るホップ数の比率が大きくなるため、平均の ラウンドトリップに要する時間の短縮率は 相当に大きくなると見込まれる。 本研究においては、今後の発展が見込まれ る無線ヘテロジニアスネットワークにおい て有効なマルチキャストを実現するための 新しい方式の提案を行い、小規模なテストベ ッドを構築してその実効性を確認した。想定 する無線ヘテロジニアスネットワークは比 較的規模の大きいセンサー・アクチュエー タ・ネットワークであり、本研究で獲得した 技術の導入による一層の効果が期待される。 今後はトラフィックの実験だけでなく、具体 的なサービスアプリケーションを動作させ る、より大規模なセンサーおよびアクチュエ ータから構成される無線ヘテロジニアスネ ットワークの研究を本研究での成果を織り 交ぜながら進める予定である。 ５．主な発表論文等 （研究代表者、研究分担者及び連携研究者に は下線） 〔雑誌論文〕（計 2 件）
① Azman Osman Lim, Xudong Wang, Youiti Kado, and Bing Zhang, “A hybrid centralized routing protocol for 802.11s WMNs,” Special Issue on SI Advanced Wireless Mesh Networks, Mobile Networks and Applications (MONET), Springer Netherlands. vol.13, no.1–2, pp.117–131, April 2008，査読 有
② Xudong Wang and Azman Osman Lim, “IEEE 802.11s wireless mesh networks: Framework and challenges,” Ad Hoc Networks, Elsevier. vol.6, no.6, pp.970–984, August 2008，査読有 〔学会発表〕（計 2 件） ① 門洋一，張兵，リム アズマン オスマ ン，ツリー型無線メッシュネットワーク におけるマルチキャスト経路制御プロト コルの提案と評価，電子情報通信学会 ア ドホックネットワーク研究会，vol.108， no.151，pp.79-84，2008.7.25，函館 ② 門洋一，服部聖彦，リム アズマン オ スマン，張兵，無線メッシュネットワー クにおけるツリーベース経路制御プロト コルを活用したマルチキャスト，電子情 報通信学会 アドホックネットワーク研 究 会 ， vol.107 ， no.516 ， pp.79-84 ， 2008.3.5，横須賀 〔産業財産権〕 ○出願状況（計 2 件） ① 名称：無線ネットワークおよびそれにおける マルチキャスト方法 発明者：門洋一，張兵，リム アズマン・オ スマン 権利者：独立行政法人情報通信研究機構 種類：公開特許 番号：特許公開 2010-028293 出願年月日：平成 20 年 7 月 16 日 国内外の別：国内 ② 名称：無線ネットワークおよびそれにおける 無線通信方法 発明者：張兵，門洋一，服部聖彦，リム ア
ズマン・オスマン 権利者：独立行政法人情報通信研究機構 種類：公開特許 番号：特許公開 2009-206650 出願年月日：平成 20 年 2 月 26 日 国内外の別：国内 ６．研究組織 (1)研究代表者 LIM AZMAN・OSMAN（リム アズマン・オ スマン） 北陸先端科学技術大学院大学・情報科学研 究科・准教授 研究者番号：90435793 (2)研究分担者 （ ） 研究者番号： (3)連携研究者 （ ） 研究者番号：
